Een blik in het binnenste van de aarde
Jules Verne beschreef ooit een reis naar het middelpunt van de aarde. Het nieuwe ESA-project SWARM zal dit verwezenlijken, zij het dan onrechtstreeks. Drie identieke satellieten zullen daarvoor het magnetisch veld van de aarde en de veranderingen ervan nauwgezet meten.
De resultaten van die metingen moeten onze kennis van de inwendige structuur van de aarde en het klimaat aanzienlijk verbeteren. Om nieuwe inzichten te verkrijgen over de samenstelling van het binnenste van onze planeet en de processen die er aan de gang zijn, is het immers niet nodig diep in de aardkorst te graven of te boren.
Vanuit een baan om de aarde
Veel gemakkelijker is het satellieten in een baan rond onze planeet te brengen. Het toverwoord daarbij is remote sensing of teledetectie. Door het zwaartekrachtveld en het magnetisch veld van de aarde te bestuderen en te bekijken hoe die in de tijd en van plaats tot plaats variëren krijgen we tegelijk informatie over de dynamische verschijnselen die zich in de kern van de aarde afspelen.
De aarde heeft een gemiddelde straal van 6370 kilometer en is min of meer zoals een ui opgebouwd uit verschillende lagen. De binnenste kern bevindt zich vermoedelijk in vaste vorm met een druk tot 4 miljoen bar en temperaturen tot 5000°C.
Daarrond ligt de buitenste kern van de aarde, die vloeibare is en waar temperaturen tot 4000°C heersen. Hij bestaat uit nikkel en ijzer. Door het elektrisch geleidingsvermogen ervan en samen met de rotatie van de aarde ontstaat een gigantische dynamo die het magnetisch veld van de aarde als gevolg heeft.
Verliest de aarde zijn magnetisch veld?
Uit satellietgegevens blijkt dat het in de ruimte gemeten magnetisch veld van de aarde door drie overlappende bronnen gevoed wordt. Het dynamo-proces in de kern en de mantel van de aarde is daarbij het belangrijkst. Daarbovenop zijn er nog anomalieën, afkomstig van gemagnetiseerd gesteente in de aardkorst.
Deze twee bronnen zorgen voor het binnenste magnetisch veld, die in wisselwerking is met elektrische stromen in het buitenste deel van de aardatmosfeer, de ionosfeer. Voor het leven op de aarde is het magnetisch veld uiterst belangrijk. Het is immers samen met de atmosfeer van de aarde een beschermend schild tegen gevaarlijke straling van de zon, de zogenaamde zonnewind.
Als de elektrisch geladen deeltjes van de aarde het aardoppervlak ongehinderd zouden bereiken, dan zouden de hogere levensvormen een dodelijke straling over zich heen krijgen. Veranderingen in het magnetisch veld kunnen aldus wezenlijke gevolgen hebben voor bepaalde gebieden op de aarde en zelfs de hele planeet.
Dat het magnetisch veld van de aarde alsmaar verandert en de magnetische polen van plaats veranderen is bekend. Gedurende de laatste 150 jaar is de kracht van het magnetisch veld gestadig afgenomen. Dat hangt samen met een op handen zijnde omkering van de magnetische noord- en zuidpool. Als het veld blijft afnemen, dan verliest de aarde rond het jaar 4000 zijn kosmische bescherming.
Dat is echter niet ongewoon. De voorbije 40 miljoen jaar hebben er ongeveer 70 ompolingen van het magnetisch veld plaatsgevonden, de laatste ongeveer 750.000 jaar geleden. Een zekere wetmatigheid in de tijd is daarbij niet waarneembaar. Het is verder ook volkomen onduidelijk welke levensbedreigende gevolgen dit kan hebben voor de nu 6,5 miljard mensen die de aarde bevolken.
Samenhang
Uit waarnemingen van kunstmanen is bekend dat het magnetisch veld alleen al in het zuiden van de Atlantische Oceaan de laatste 25 jaar met een dramatische 12% is afgenomen. Nu al is schade aan laagvliegende satellieten voor 90% het gevolg van deeltjes met hoge energie in het bereik van de zogenaamde Zuid-Atlantische Anomalie.
Projecten als Cluster (ESA), CHAMP (Duitsland) en GRACE (Verenigde Staten/Duitsland) laten er geen twijfel over bestaan dat er een onweerlegbare samenhang bestaat tussen het magnetisch veld, de atmosfeer en het klimaat van de aarde. Maar nog zo goed als onbekend is hoe veranderingen op lange termijn in het magnetisch veld het klimaat op de aarde beïnvloeden.
SWARM, een mini-ruimtevloot
Dat moet een ESA-missie met de veelzeggende naam SWARM (Engels voor "zwerm") nu gaan uitvissen. SWARM is een nieuwe aardobservatiemissie in het kader van het ESA-programma Living Planet en moet de nauwkeurigste metingen ooit uitvoeren van het magnetisch veld en de veranderingen die het ondergaat in de tijd.
SWARM zal uit een constellatie van drie satellieten bestaan: twee in een baan op een hoogte van 450 kilometer boven het aardoppervlak en één in een baan op 530 kilometer hoogte. Ze zullen alledrie tegelijk met één raket in de ruimte worden gebracht.
Vanuit een polaire baan om de aarde zal het uit identieke satellieten bestaande trio uiterst nauwkeurige metingen uitvoeren van de sterkte en de oriëntatie van het magnetisch veld. Uit de waarnemingen hopen onderzoekers de verschillende bronnen van het veld te kunnen onderscheiden en via modellen te kunnen verklaren.
Ook praktische toepassingen
Onder leiding van EADS Astrium zullen de drie satellieten op minder dan vier jaar tijd gebouwd worden. De kosten voor de bouw bedragen ongeveer 86 miljoen euro. De lancering is voorzien voor 2009-2010.
Het nieuwe ESA-programma zal daarmee de waarnemingen verderzetten van de satelliet CHAMP die sinds 2000 nauwkeurige metingen over het magnetisch veld van de aarde doorstuurt. CHAMP moet als alles goed gaat tot minstens eind 2008 operationeel zijn.
De steeds betere kennis van het magnetisch veld van de aarde heeft overigens ook enkele praktische toepassingen. Naar verwachting zullen schepen en vliegtuigen veel nauwkeuriger kunnen navigeren en zullen nieuwe natuurlijke rijkdommen van de aarde worden ontdekt. Ook het ruimteweer zal beter voorspeld worden en men zal tijdiger kunnen waarschuwen voor kosmisch stralingsgevaar.